电子探针、扫描电镜显微分析2
_扫描电镜与电子探针分析
_扫描电镜与电子探针分析扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和电子探针分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）是现代材料科学和纳米技术领域中广泛应用的两种重要分析技术。
本文将分别介绍扫描电镜和电子探针分析的原理、仪器结构和应用。
一、扫描电镜（SEM）扫描电镜是一种基于电子束的显微镜，通过聚焦的电子束对样品表面进行扫描，获得高分辨率的图像。
相比传统光学显微镜，SEM具有更高的分辨率和更大的深度聚焦能力。
SEM的工作原理如下：1.电子源：SEM使用热阴极电子枪产生的高速电子束。
电子束由一根细丝产生，经过加热后电子从细丝上发射出来。
2.透镜系统：电子束经过电子透镜系统进行聚焦和调节。
透镜系统包括几个电磁透镜，用于控制电子束的聚焦和扫描。
3.样品台：样品台用于固定样品并扫描表面。
样品通常需要涂覆导电性材料，以便电子束可以通过样品表面。
4.探测器：SEM使用二次电子和背散射电子探测器来检测从样品表面散射的电子。
这些探测器可以转化为图像。
SEM可以提供高分辨率的表面形貌图像，并通过电子束的反射和散射来分析样品的成分、孔隙结构和晶体结构等。
其应用广泛，包括材料科学、纳米技术、电子器件等领域。
二、电子探针分析（EDS）电子探针分析是一种基于X射线的成分分析技术，常与扫描电镜一同使用。
EDS可以对样品的元素成分进行快速准确的定性和定量分析。
其工作原理如下：1.探测器：EDS使用一个固态半导体探测器来测量从样品发射的X射线。
当样品受到电子束轰击时，样品中的元素原子被激发并发射出特定能量的X射线。
2.能谱仪：EDS使用能谱仪来分析探测到的X射线，该仪器能够将X 射线能量转换成电压信号，并进行信号处理和分析。
3.能量分辨率：EDS的精度取决于能谱仪的能量分辨率，分辨器的能量分辨率越高，分析结果越准确。
4.谱库：EDS使用事先建立的元素谱库进行定性和定量分析。
2电子探针分析仪校准规范(编制说明)
《电子探针显微分析仪校准规范》（征求意见稿）编制说明一、任务来源根据国家市场监督管理总局计量技术规范制修订计划文件（国家市场监督管理总局司（局）函-计量函【2019】42号）及国家计量技术规范管理信息化系统审批通过，受中国计量科学研究院全国新材料与纳米计量技术委员会的委托，由上海市计量测试技术研究院、中国计量科学研究院和山东省计量科学研究院负责制定《电子探针分析仪校准规范》技术规范的工作。
二、编制背景电子探针显微分析仪（electron probe micro analyzer，EPMA）用于研究材料表面形貌特征和元素定性、定量、元素分布分析（元素组成及样品表面元素浓度分布）。
EPMA 采用波长色散型X 射线分光器（WDS），与能量色散型X 射线分光器（EDS）相比，具有高分辨率的特点，可以进行更高精度和更高灵敏度的分析，是当今材料领域技术研究的最重要表征工具之一，被广泛应用于地质学、金属和非金属材料、冶金学、生物等科学领域。
电子探针不仅用于基础研究分析，也被广泛用于生产在线的检验，品质管理的分析，以及能源、环境等检测，特别是应用于金属固熔体相、相变、晶界、偏析物、夹杂物等非破坏性的元素分析和观察。
目前，国内电子探针被两大国外厂商：日本电子公司和日本岛津公司所垄断。
电子探针技术发展迅速，其功能和技术参数指标都有了较大改进，不仅有钨灯丝、六硼化镧电子探针，场发射电子探针也被广泛使用，可产生更高空间分辨的元素分布图，并可以获得更大的电子束流；可以根据使用需求，选配2~5道分光器数；高速下稳定驱动的样品台，可以高精度设定分析位置和分析区域。
国际标准化组织于2014年发布了ISO 14594:2014 Microbeam analysis -- Electron probe microanalysis -- Guidelines for the determination of experimental parameters for wavelength dispersive spectroscopy，规定了电子探针检测的参数要求。
电子探针和扫描电镜常用的标准方法-25电子探针和扫描电
电子探针和扫描电镜常用的标准方法电子探针和扫描电镜涉及的标准方法及技术规范共有25个，有电子探针仪检定规程（JJG901－95）、扫描电子显微镜试行检定规程（JJG 550－88）、不同类型样品的定量分析方法、样品及标样的制备方法、微米长度的扫描电镜测量方法及X射线能谱成分定量分析方法等。
各单位计量认证分析检测的项目，必须有相应的标准检测方法。
要根据标准方法进行成分分析，要采用有效的国家标准。
没有国家标准的检测项目，可以采用行业标准或地方标准。
行业标准在相应的国家标准出台后自动作废，地方标准在相应的国家标准或行业标准出台后也自动作废。
企业标准及检测机构按用户要求制定的检测条件和试验方法，只能作参考数据。
当国家标准方法不能满足某些检测要求时，例如“方法通则”，可根据方法通则制定检测实施细则，经检验机构技术负责人批准后，可以实施。
检测报告中必须有检测依据，即检测的标准方法。
所以标准方法在认证过程中和检测过程中都是必须的。
现在电子探针和扫描电镜的标准方法，还不能满足所有样品测试的要求，特别是能谱分析方法，但基本都有通则，可根据通则制定实施细则，以满足一般检测工作的需要。
（1）GB/T 4930-93 电子探针分析标准样品通用技术条件（代替GB4930-85）（2）GB/T 15074-94 电子探针定量分析方法通则（3）GB/T 15075-94 电子探针分析仪的检测方法（4）GB/T 15244-94 玻璃的电子探针分析方法（5）GB/T 15245-94 稀土氧化物的电子探针定量分析方法（6）GB/T 15246-94 硫化物矿物的电子探针定量分析方法（7）GB/T 15247-94 碳钢和低合金钢中碳的电子探针定量分析方法（8）GB/T 14593-93 山羊绒、绵羊毛及其混合纤维定量分析方法（9）GB/T 15617-95 硅酸盐矿物的电子探针定量分析方法（10）GB/T 15616-95 金属及合金电子探针定量分析方法1（11）GB/T 16594-94 微米级长度的扫描电镜测量方法（12）GB/T 17359-98 电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则 （13）GB/T 17360-98 钢中低含量Si、Mn的电子探针定量分析方法（14）GB/T 17361-98 沉积岩中自生粘土矿物扫描电子显微镜及X射线能谱鉴定方法（15）GB/T17632-98 黄金饰品的扫描电镜X射线能谱分析方法（16）GB/T17363-98 黄金制品的电子探针定量测定方法（17）GB/T17364-98 黄金制品中金含量的无损定量分析方法（18）GB/T17365-98 金属与合金电子探针定量分析样品的制备方法（19）GB/T17366-98 矿物岩石的电子探针分析试样的制备方法（20）GB/T17506-98 船舶黑色金属腐蚀层的电子探针分析方法（21）GB/T17507-98 电子显微镜-X射线能谱分析生物薄标样通用技术条件 （22）GB/T17722-99 金覆盖层厚度的扫描电镜测量方法（23）GB/T17723-99 黄金制品镀层成分的X射线能谱测量方法 此外，还有以下一些其他标准可作参考，如：（24） 分析型扫描电子显微镜检定规程（JJG 011－1996）（25） 纳米级长度的扫描电镜测量方法(国家标准讨论稿)（26） 微束分析－扫描电镜－图像放大倍率校准导则（陈振宇编译）2。
扫描电子显微镜-SEM-2 材料研究方法与实验
▪ C(Z=6), k =0.001， k=0.999
离子探针
IMMA(Ion Microprobe Mass Analyser) 全元素分析（H, He…..),灵敏度高（10 －8－10－14），分析直径1m－2 m， 有损分析。定量分析模型不完善，主要 用作微量元素分析，绝对感量为10－18 －10－19g，分析表面一般要剥离，可进 行深度分析。
analysis based upon electron-excited x-ray spectrometry with a focused electron probe and an electron interaction volume with micrometer to sub-micrometer dimensions
透射电镜
分辨率高(JEM-2010F点分辨率：0.19nm) ， 放大倍率高，可放大一百多万倍。可 进 行形貌观察,成分分析,微区晶体结构( 晶 格像,结构像),晶界分析。
制样困难,分析区域小,代表性差。 定量结果准确度较差,无标准样品。
扫描探针显微镜(SPM)
是利用一种小探针(如Si3N4)在试样表面上扫描， 能提供高放大倍率观察的一系列显微镜的总称 （镜群）。例如：原子力显微镜（AFM）、扫 描隧道显微镜（STM，86年获诺贝尔奖）、扫 描热显微镜（SThM）等。
EPMA比SEM价格贵2－3倍。
发展历史
1913年：MOSELY定律：√＝ K(Z－σ) 1949年：Castaing博士用TEM改装成 电子探
针 1956年：法国CAMECA公司制成商品 1960年：扫描型电子探针问世 1965年：SEM问世 70年代后：EPMA与SEM、EDS组合，并用计
电子探针x射线显微分析
• 它可检测微米级区域的成分含量。原子序 数从4～92的所有元素均可分析检出。检测 的最小含量为万分之一，波谱仪的分辨率高 于能谱仪。
波谱仪的特点
波谱仪的突出优点是波长分辨率很高。如它可将波长 十分接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和 CrK2(0.229351nm)3根谱线清晰地分开。
但由于结构的特点，波谱仪要想有足够的色散率，聚 焦圆的半径就要足够大，这时弯晶离X射线光源的距 离就会变大，它对X射线光源所张的立体角就会很小， 因此对X射线光源发射的X射线光量子的收集率也就 会很低，致使X射线信号的利用率极低。
X射线显微分析
X射线能谱仪（EDS） X射线波谱仪（WDS） EDS与 WDS间的比较 X射线显微分析在材料科学研究中的应用
X射线能谱仪（EDS）
它时扫描电镜的重要附件之一，利用它可以对 试样进行元素定性、半定量和定量分析。其特 点是探测效率高，可同时分析多种元素。
工作原理
从试样中产生的X射线被Si(Li)半导体检测，得到 电荷脉冲信号经前置放大器和主放大器转换放大得到 X射线能量成正比的电压脉冲信号厚，送到脉冲处理 器进一步放大再经模数转换器转换成数字信号输出。
(3)谱线重复性好。由于能谱仪没有运动部件，稳定性好，且没有 聚焦要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题，适 合于比较粗糙表面的分析工作。
能谱仪的缺点
(1)能量分辨率低，峰背比低。由于能谱仪的探头直接 对着样品，所以由背散射电子或X射线所激发产生的 荧光X射线信号也被同时检测到，从而使得Si(Li)检测 器检测到的特征谱线在强度提高的同时，背底也相应 提高，谱线的重叠现象严重。故仪器分辨不同能量特 征X射线的能力变差。能谱仪的能量分辨率(130eV)比 波谱仪的能量分辨率(5eV)低。
第十章扫描电子显微分析与电子探针
第一节 扫描电子显微镜工作原理及构造
• 一、工作原理
电子枪发射的电子束
经过2-3个电磁透镜聚焦
在样品表面按顺序逐行 扫描，激发样品产生各种物理 信号:二次电子、背散射电子、 吸收电子等。 信号强度随样品表面特征而变。它 们分别被相应的收集器接受，经放 大器按顺序、成比例地放大后，送
到显像管。
图10-1 扫描电子显微镜原理示意图 Material modern analysis method
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Huaihua University Chemistry and chemical egineering Department
1．电子光学系统
• 由电子枪、电磁聚光镜、光栏、样品室等部件组成。 • 作用：获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号 的激发源。
电子枪
电磁聚光镜
光栏 样品室 Material modern analysis method
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两个透镜是强透镜，用来缩 小电子束光斑尺寸。
具有不同孔径的光栏可以提 高束流或增大景深，从而改 善图像质量。 最末级聚光镜因为紧靠样品上 方，且在结构设计等方面有一 定的特殊性，故也称物镜。是 弱透镜，具有较长的焦距，在 该透镜下方放置样品可避免磁 场对电子轨迹的干扰。 样品台有三轴x,y,z移动装置， 其中x,y方向的移动用于把样品 及标样移至电子束下方，而z方 向的移动是为了保证显微镜的 聚焦。 Material modern analysis method
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Huaihua University Chemistry and chemical egineering Department
扫描电镜分析简介
扫描电镜成像的物理信号
扫描电镜成像所用的物理 信号是电子束轰击固体样 品而激发产生的。具有一 品而激发产生的。具有一 能量的电子， 定能量的电子，当其入射 固体样品时， 固体样品时，将与样品内 原子核和核外电子发生弹 性和非弹性散射过程， 性和非弹性散射过程，激 发固体样品产生多种物理 信号，如二次电子、 信号，如二次电子、背散 射电子、吸收电子、 射电子、吸收电子、X射 俄歇电子等。 线、俄歇电子等。
扫描电镜的工作原理
扫描电镜成像与电视显象相似。扫描电镜图像按一定时间 空间顺序逐点扫描形成，并在镜体外显像管荧光屏幕上显 示出来。 由电子枪发射的能量达30keV的电子束，经会聚透镜和物 镜缩小聚焦，在试样表面形成具有一定能量、一定强度、 极小的点状电子束。在扫描线圈磁场作用下，电子束在试 样表面上按一定的时间、空间顺序作光栅式逐点扫描。 入射电子束和试样相互作用，从试样表面原子中激发出二 次电子。二次电子收集极的作用，将各方向发射的二次电 子汇集，再经加速极加速，射向闪烁体上转变成光信号。 经光导管到达光电倍增管，使光信号再次转变为电信号。 电信号经视频放大器放大，并将其输出送至显像管的栅极， 调制显像管的亮度，因而在荧光屏幕上便呈现出一幅亮暗 程度不同的反映试样表面形貌的二次电子象。一幅扫描图 像由多达100万个分别与被分析物表面物点一一对应的图 像点构成。
扫描电镜显微分析简介
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜
扫描电镜显微分析简介
概况 扫描电镜的优点 扫描电镜成像的物理信号 扫描电镜的工作原理 扫描电镜的构造 扫描微镜简称扫描电镜，英文缩 写：SEM。为适应不同要求，在扫描电镜 写：SEM。为适应不同要求，在扫描电镜 上安装上多种专用附件，实现一机多用， 使扫描电镜成为同时具有透射电子显微镜 （TEM）、电子探针X射线显微分析仪 TEM）、电子探针X （EPMA）、电子衍射仪（ED）等多种功 EPMA）、电子衍射仪（ED）等多种功 能的一种直观、快速、综合的表面分析仪 器。
电子探针显微分析-课件
B、若电子束位置不变，改变晶体的位置，使(hkl) 晶面与入射X射线交角为θ2，并相应地改变检测器 的位置，就可以检测到波长为：
λ2= 2d sinθ2 的X射线。如此连续地操作，即可进行该定点的元 素全分析。若将发生某一元素特征X射线的入射角 θ固定，对样品进行微区扫描，即可得到某一元素 的线分布或面分布图像。
波谱仪有旋转式波谱仪和直进式波谱仪。 1)旋转式波谱仪
旋转式波谱仪虽然结构简单，但有三个缺点： a)其出射角φ是变化的，若φ2 ＜φ1，则出射
角为φ2的X射线穿透路程比较长，其强度就 低，计算时须增加修正系数，比较麻烦； b) X射线出射线出射窗口要设计得很大； c)出射角φ越小，X射线接受效率越低。
电子探针是目前微区元素定量分析最准 确的仪器。电子探针的检测极限(能检测到 的元素最低浓度)一般为（0.01－0.05）%， 不同测量条件和不同元素有不同的检测极限， 主元素定量分析的相对误差为(1—3)%，对 原子序数大于11的元素，含量在10% 以上 的时，其相对误差通常小于2%。
4. 不损坏试样、分析速度快
WDS 4Be－92U 慢 高（≈5eV） 10-2 (%)
定量分析准确度
高
X射线收集效率
低
峰背比（WDS/EDS） 10
EDS 4Be－92U 快 低（130 eV） 10-1 (%)
低 高 1
五、电子探针仪的实验方法
1、电子探针仪的操作特点 总的来说，除了与检测X射线信号有关的部件以
外，电子探针仪的总体结构与扫描电镜十分相似。 但两者的侧重点不同，因此这两种仪器对电子束的 入射角和电流强度的要求不同。
现在电子探针均与计算机联机，可以连续自 动进行多种方法分析，并自动进行数据处理和数 据分析。
电子探针扫描电镜显微分析
第八章 电子探针、扫描电镜显微分析中国科学院上海硅酸盐所李香庭1 概论1.1 概述电子探针是电子探针X射线显微分析仪的简称，英文缩写为EPMA(Electron probe X-ray microanalyser)，扫描电子显微境英文缩写为SEM（Scanning Electron Microscope）。
这两种仪器是分别发展起来的，但现在的EPMA都具有SEM的图像观察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，这两种仪器的基本构造、分析原理及功能日趋相同。
特别是现代能谱仪，英文缩写为EDS（Energy Dispersive Spectrometer）与SEM组合，不但可以进行较准确的成分分析，而且一般都具有很强的图像分析和图像处理功能。
由于EDS分析速度快等特点，现在EPMA通常也与EDS组合。
虽然EDS的定量分析准确度和检测极限都不如EPMA的波谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer ，缩写为WDS）高，但完全可以满足一般样品的成分分析要求。
由于EPMA与SEM设计的初衷不同，所以二者还有一定差别，例如SEM以观察样品形貌特征为主，电子光学系统的设计注重图像质量，图像的分辨率高、景深大。
现在钨灯丝SEM的二次电子像分辨率可达3nm，场发射SEM二次电子像分辨率可达1nm。
由于SEM一般不安装WDS，所以真空腔体小，腔体可以保持较高真空度；另外，图像观察所使用的电子束电流小，电子光路及光阑等不易污染，使图像质量较长时间保持良好的状态。
EPMA一般以成分分析为主，必须有WDS进行元素成分分析，真空腔体大，成分分析时电子束电流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量下降速度快，需经常清洗光路和光阑，通常EPMA二次电子像分辨率为6nm。
EPMA附有光学显微镜，用于直接观察和寻找样品分析点，使样品分析点处于聚焦园（罗兰园）上，以保证成分定量分析的准确度。
EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的样品表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与样品相互作用所产生的特征X射线的波长与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。
扫描电子显微镜与电子探针
（三）扫描电镜的主要性能
1
（1）扫描电子束斑直径 （2）入射电子束在样品中的扩展效应。 （3）成像所用信号的种类。 2 3
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（四）扫描电镜的试样制备
一般的扫描电镜对样品的要求主要有：(1)适当的大小；(2)良好的 扫描电镜景深长，样品室大，故样品尺寸可变化范围大，试样的大小
分析。其方法是：利用波谱仪上配置的光学显微镜及SEM的图像选
定待分析的点或微区，并将其移到电子束的轰击之下，缓慢地驱动谱
θ
X
λ
线，将谱线强度峰值所对应的波长与标准特征X射线波长相比较，即
可获得分析微区所含元素析和面扫描分析
（一）线扫描分析（线分析） （二）面扫描分析（面分析或面分部）
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（一）电子与固体样品的相互作用区
样品的倾斜角的大小对相互作用区的大小也有一定影响
另外，从Rutheford模型可知，电子在样品中的弹性散 射截面与其能量的平方成反比
E
z
E
高，电子穿过某段特定的长度后保持的能量越大，电子在
样品中能够穿透的深度越大
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（二）电子束与样品相互作用产生的信号
检测系统主要包括计数管、前置放大器、比例放大器、波 高分析器、定标器、计数率表以及计算机、打印机输出设
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（一）分光系统
背散射电子像衬度应用最广泛的是它的成分衬度像，与二次电子的形 貌像（或BSE形貌相）相配合，根据BSE的原子序数衬度，可以很 方便地研究元素在样品中的分布状态，根据原始资料及形貌特点，定 性地分析判断样品中的物相
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4.3 电子探针的工作原理与结构
一、波谱仪的工作原理及结构 二、能谱仪的工作原理及结构
扫描电镜与电子探针
钛酸铋钠粉体的六面体形貌 20000× 返回
扫描电镜的主要性能与特点
放大倍率高（M=Ac/As） 分辨率高（d0=dmin/M总） 景深大（F≈ d0/β） 保真度好 样品制备简单
放大倍率高
从几十倍到几十万倍，连续可调。放大倍 率不是越大越好，要根据有效放大倍率和分析 样品的需要进行选择。如果放大倍率为M，人 眼分辨率为0.2mm，仪器分辨率为5nm，则 有效放大率M＝0.2106nm5nm=40000 （倍）。如果选择高于40000倍的放大倍率， 不会增加图像细节，只是虚放，一般无实际意 义。放大倍率是由分辨率制约，不能盲目看仪 器放大倍率指标。
比 较
透射电镜一般是电子光学系统（照明 系统）、成像放大系统、电源和真空系统 三大部分组成。
3.电子与固体试样的交互作用
一束细聚焦的电子束轰击试样表面
时，入射电子与试样的原子核和核外电 子将产生弹性或非弹性散射作用，并激 发出反映试样形貌、结构和组成的各种 信息，有：二次电子、背散射电子、
阴极发光、特征X 射线、俄歇过程和俄
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4. 不损坏试样、分析速度快
现在电子探针均与计算机联机，可以连续自 动进行多种方法分析，并自动进行数据处理和数 据分析，对含10个元素以下的试样定性、定量分 析，新型电子探针在30min左右可以完成，如果 用EDS 进行定性、定量分析，几分种即可完成。 对表面不平的大试样进行元素面分析时，还可以 自动聚焦分析。 电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样 分析后，可以完好保存或继续进行其它方面的分 析测试，这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证 据等的稀有试样分析尤为重要。
多孔SiC陶瓷的二次电子像
一般情况下， SEM 景深比 TEM 大 1 0 倍 ， 比 光 学 显 微 镜 （ OM） 大 100倍。如10000倍时,TEM :D＝ 1m，SEM:10m, 100 倍 时 ， OM:10m，SEM=1000m。
扫描电子显微镜（SEM）和电子探针显微分析装置（EPMA）
扫描电⼦显微镜（SEM）和电⼦探针显微分析装置（EPMA）扫描电⼦显微镜和电⼦探针显微分析仪基本原理相同，但很多⼈分不清其差异，实际上需要使⽤电⼦探针领域⽐较少，⽽扫描电镜相对普遍。
扫描电⼦显微镜（SEM），主要⽤于固体物质表⾯电⼦显微⾼分辨成像，接配电⼦显微分析附件，可做相应的特征信号分析。
最常⽤的分析信号是聚焦电⼦束和样品相互作⽤区发射出的元素特征X-射线，可⽤EDS（X-射线能谱仪）或者WDS（X-射线波谱仪）进⾏探测分析，获得微区（作⽤区）元素成分信息，⽽WDS这个电⼦显微分析附件却来源于EPMA。
另外⼀个重要信号是背散射电⼦（Bse），其中⾼能Bse还可作为晶体衍射信号,使⽤EBSD装置获取微区晶体结构取向信息，EBSD⾃1990年代发展以来，近20年应⽤发展迅速。
扫描电镜及扫描电⼦显微分析附件（EDS、WDS、EBSD）SEM作为⼀个电⼦显微分析平台，分析附件可根据⽤户需要来选配，有需要这个的，有需要那个的，因此扫描电镜结构种类具有多样性，从tiny、small、little style，to middle、large、huge style.就EDS或WDS分析技术来讲，在SEM上使⽤，基本上使⽤⽆标样分析，获得电⼦束样品作⽤区内相对粗糙的半定量结果，因此SEM配置EDS⾮常普遍，⽽配置WDS⽐较少，其中EDS可以探测到微量元素的存在，WDS可以获得痕量元素的存在。
商品化EPMA产⽣于1955年左右，⽐SEM商品化提前10年，其主要⽬的是要精确获得微⽶尺度晶粒或颗粒的成分信息，利⽤电⼦束样品作⽤区发射的特征X射线，使⽤探测分析⼿段是WDS，⼀般配置4道WDS，中⼼对称布置在电⼦束周围，基于此标配，EPMA结构⽐较单⼀，各品牌型号结构差距不⼤。
电⼦探针显微分析装置EPMA结构原理电⼦探针显微分析系统EPMAEMPA主要追求微区化学定量结果精准，因此电⼦光学分辨率设计相对宽松，电⼦显微分析对汇聚束束电流要求较⼤，束斑较粗。
扫描电镜及电子探针
4.3 扫描电镜 4.3.1 扫描电镜的特点和工作原理 自从1965年第一台商用扫描电镜问世后，它得到了迅速发展。
其原因在于扫描电镜弥补了透射电镜的缺点，是一种比较理想的表面分析工具。
透射电镜目前达到的性能虽然很高，如分辨本领优于0.2～0.3nm，放大倍数几十万倍，除放大成像外还能进行结构分析等，但其有一个最大的缺点就是对样品要求很高，制备起来非常麻烦。
而且，样品被支撑它的铜网蔽住一部分，不能进行样品欲测区域的连续观察。
扫描电镜则不然，它可直接观察大块试样，样品制备非常方便。
加之扫描电镜的景深大、放大倍数连续调节范围大，分辨本领比较高等特点，所以它成为固体材料样品表面分析的有效工具，尤其适合于观察比较粗糙的表面如材料断口和显微组织三维形态。
扫描电镜不仅能做表面形貌分析，而且能配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学位向分析等。
扫描电镜的成像原理，和透射电镜大不相同，它不用什么透镜来进行放大成像，而是象闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。
图4.55 扫描电镜工作原理图4.55是扫描电镜工作原理示意图。
由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过2～3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。
这些物理信号的强度随样品表面特征而变。
它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管的栅极上，用来同步地调制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。
由于供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也就是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。
因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。
这样，在长余辉荧光屏上就形成一幅与样品表面特征相对应的画面——某种信息图，如二次电子像、背散射电子像等。
画面上亮度的疏密程度表示该信息的强弱分布。
电子探针显微分析
氟化锂
石英
LiF
SiO2
200
10-11
2.013
3.34
Kα系：Ca20 ~ Rb37 Lα系：Sb51 ~ U92
Kα系：S16 ~ Cu29 Lα系：Nb41 ~ W74 Mα系：Hg80 ~ U92 Kα系：Si14 ~ Fe26 Lα系：Rb37 ~ Dy66 Mα系：Hf72 ~ U92
元素分析范围：
从Mg12到U92元素
样品要求：
1） 样品不需要破坏，可以多次使用。 2） 化学分析的结果是样品成分的平均值，而电子探针分析 的是某一微区内的成分，区域范围内为微米数量级。 电子探针和扫描电镜具有相似结构。电子探针是以成分 分析精度高为其特点，显微像观察作为辅助手段使用的。 微区成分分析和高分辨显微像工作参数比较 工作内容 微区成分分析 高分辨显微像 束流(安培) 10-7～10-8 10-11～10-12 束直径(微米) 0.1~1 0.005~0.01
电子探针分为三个部分：
a) 电子光学系统 b) 样品室 c) 信号检测系统
a) 电子光学系统
这个系统为电子探针提供足够高的入射能量、足够大的束流 和在样品表面轰击点处尽可能小的束斑直径的电子探针束。 入射电子的能量取决于电子枪的加速电压，一般为30～ 50kV。电子探针采用较大的入射电流是为了提高X射线的信号强 度。
2）回转式波谱仪
原理： 聚焦圆的圆心不能移动，分光晶体和检测器在聚焦圆的 圆周上以1:2的角速度运动，以保证满足Bragg方程。 回转式波谱仪的特点： 结构简单，但出射方向 改变很大，在表面不平度很 大的情况下，由于X射线在 样品内行进的路线不同，往 往会因为吸收条件变化而造 成分析上的误差。
电子探针显微分析
E
+
FWHM
2 noise
K为常数 E为谱线能量
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不同分辨率的BN谱图
试样：BN (C、O），加速电压：3kV
125eV
130eV
140eV
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2、超薄窗及无窗探头的应用
（1）有机膜超薄窗对低能量（1keV）X 射线也有较高的透过率，所以可分析轻 元素。以前Be窗口元素分析范围为11Na －92U，现在一般都用有机膜超薄窗口， 分析元素可从4Be－92U。
18
(2)无窗探头的应用
无窗探头可以检测LiKα（56eV）、重元素的L线
和M线的X射线强度提高，特别是轻元素X射线强度成 倍提高。适合于轻元素和低加速电压的元素分析。
Improvement in sensitivity of windowless design vs conventional thin window detector for selected X-ray lines
• 电子探针仪镜筒部分的构造大体上和 扫描电子显微镜相同，只是其检测器 部分使用的是X射线谱仪，专门用来检 测X射线的特征波长或特征能量，以此 来对微区的化学成分进行分析。因此 除专门的电子探针仪外，有相当一部 分电子探针仪是作为附件安装在扫描 电镜或透射电镜镜筒上，以满足微区 组织形貌、晶体结构及化学成分三位 一体同位分析的需要。
电子探针仪的结构与工作原理
• 电子探针仪的结构示意图。由图可知，电 子探针的镜筒及样品室和扫描电镜并无本 质上的差别，因此要使一台仪器兼有形貌 分析和成分分析两个方面的功能，往往把 扫描电子显微镜和电子探针组合在一起。
• 电子探针的信号检测系统是X射线谱仪，用 来测定特征波长的谱仪叫做波长分散谱仪 (WDS)或波谱仪。用来测定X射线特征能量 的谱仪叫做能量分散谱仪(EDS)或能谱仪
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图8-12 电子探针结构的方框图2.4.1 电子光学系统电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、消像散器和扫描线圈等。
其功能是产生一定能量的电子束、足够大的电子束流、尽可能小的电子束直径，产生一个稳定的X 射线激发源。
2.4.1.1 电子枪电子枪是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。
它的主要作用是产生具有一定能量的细聚焦电子束(探针)。
从加热的钨灯丝发射电子，由栅极聚焦和阳极加速后，形成一个10μm ～100μm 交叉点（Crossover)，再经过二级会聚透镜和物镜的聚焦作用，在试样表面形成一个小于1μm 的电子探针。
电子束直径和束流随电子枪的加速电压而改变， 加速电压可变范围一般为1kV ～30kV 。
2.4.1.2 电磁透镜电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠近电子枪的透镜称会聚透镜，会聚透镜一般分两级，是把电子枪形成的10μm －100μm 的交叉点缩小1－100倍后，进入样品上方的物镜，物镜可将电子束再缩小并聚焦到样品上。
为了挡掉大散射角的杂散电子，使入射到样品的电子束直径尽可能小，会聚透镜和物镜下方都有光阑。
为了在物镜和样品之间安置更多的信号探测器，如二次电子探测器、能谱仪等，必须有一定的工作距离( 物镜底面和样品之间的距离)。
工作距离加长必然会使球差系数增大，从而使电子束直径变大，如果电子束几何直径为dg, 由于球差系数的影响，最终形成的电子束直径d 应为：d 2＝dg 2＋ds 2，ds 为最小弥散圆直径，它和球差系数Cs 的关系为:ds ＝21Cs 2α (8·2) α为探针在试样表面的半张角。
因此，增加工作距离受到球差的限制。
为了解决这一矛盾，设计了一种小物镜，是这类仪器的一项重要改进。
小物镜可以在不增加工作距离的情况下，在物镜和样品之间安放更多的信号探测器，如JCXA －733电子探针，工作距离为11mm ，可同时安装四道波谱仪(WDS)，一个能谱仪，一个二次电子探测器和一个背散射电子探测器，并使X 射线出射角增加到40°。
高出射角减小了试样对X 射线的吸收和样品表面粗糙所造成的影响，但小物镜要获得足够的磁场必须在其线圈内通以大电流，为了解决散热问题要进行强制冷却，一般用油冷却。
2.4.1.3 消像散线圈当电子光学系统中磁场或静电场不称轴对称时，会产生像散，使原来应该呈圆形交叉点变为椭圆。
磁场不对称产生的像散，主要靠透镜极靴的加工精度来消除或减小。
静电场不对称是由于光路污染引起的，污染物产生局部静电场，此静电场随污染程度变化。
为了消除像散，用消像散线圈是有效的，它可以产生一个与引起像散方向相反、大小相同的磁场来消除像散。
常用的消像散线圈是八极电磁型。
经常清洗电子光路，可以减小像散引起的图象崎变。
2.4.1.4 扫描线圈扫描线圈由双偏转线圈组成，可以使电子束在样品和显象管上同步扫描。
显象管所观察到的图象，与电子束在样品表面扫描区域相对应。
图象的放大倍率为显象管扫描尺寸与样品扫描尺寸之比。
2.4.2 X 射线谱仪2.4.2.1 波长色散谱仪X 射线谱仪的性能，直接影响到元素分析的灵敏度和分辨本领，它的作用是测量电子与样品相互作用产生的X 射线波长和强度。
谱仪分为二类:一类是波长色散谱仪(WDS)，一类是能量色散谱仪(EDS)。
众所周知，X 射线是一种电磁辐射，具有波粒二象性， 因此可以用二种方式对它进行描述。
如果把它视为连续的电磁波，那么特征X 射线就能看成具有固定波长的电磁波，不同元素就对应不同的特征X 射线波长，如果不同X 射线入射到晶体上，就会产生衍射，根据Bragg 公式： 2dsin θ＝n λ (8·3)可以选用已知面间距d 的合适晶体分光，只要测出不同特征射线所产生的衍射角2θ，就可以求出其波长λ，再根据公式(8·1)就可以知道所分析的元素种类，特征X 射线的强度是从波谱仪的探测器(正比计数管)测得。
根据以上原理制成的谱仪称为波长色散谱仪(WDS)。
谱仪的分析原理如图8-13。
图8－13 X 射线分光原理图中以R 为半径的圆称为Rowlend 圆，也称聚焦圆(对X 射线聚焦)。
电子束入射到样品S 表面时，会产生反应样品成分的特征X 射线，特征X 射线经晶体分光聚焦后，被X 射线计数管接收，如果样品照射点到晶体的距离为L ，则L=2Rsin θ,再由Bragg 公式2dsin θ=n λ则得L=dR n λ (8·4) 因为d (分光晶体面间距)和R(罗兰圆半径：JCXA －733电子探针为140mm))均为常数。
n 为特征X 射线衍射级数，因此，晶体沿L 直线运动时(L 改变)就可以测出不同元素所产生的特征X 射线波长λ,称这种谱仪为直进式波谱仪。
不同波长的X 射线要用不同面间距的晶体进行分光， 日本电子公司的电子探针通常使用的四种晶体面间距及波长检测范围见表1。
表中STE[Pb(C18H35O2)2]为硬脂酸铅，TAP(C8H5O4TI)为邻苯二甲酸氢铊，PET(C5H12O4)为异戊四醇，LiF为氟化锂晶体。
X射线测定过程如图8－14，由分光晶体产生的X射线进入正比计数管，正比计数管出来的信号进入前置放大器（Preamp）和主放大器（AMP），并在单道分析器（SCA）中进行脉冲高度分析，单道分析器的输出脉冲送双道计数器计数，单道分析器及速率表的输出信号经过图像选择器(IMS)在CRT上显示出一维(线轮廓)或二维(X射线像)的X射线强度分布。
图8－14X射线测定系统方块图2.4.2.2 能量色散谱仪如果把X射线看成由一些不连续的光子组成，光子的能量为E＝ｈν，ｈ为普朗克常数，ν为光子振动频率。
不同元素发出的特征X射线具有不同频率，即具有不同能量，当不同能量的X射线光子进入锂漂移硅[Si(Li)]探测器后，在Si(Li)晶体内将产生电子－空穴对，在低温（如液氮冷却探测器）条件下，产生一个电子－空穴对平均消耗能量ε为3.8eV。
能量为E的X射线光子进入Si(Li)晶体激发的电子－空穴对N＝E/ε,入射光子的能量不同，所激发出的电子－空穴对数目也不同，例如，Mn Kα能量为5.895keV,形成的电子－空穴对为1550个。
探测器输出的电压脉冲高度，由电子－空穴对的数目N决定，由于电压脉冲信号非常小，为了降低噪音，探测器用液氮冷却，然后用前置放大器对信号放大，放大后的信号进入多道脉冲高度分析器，把不同能量的X射线光子分开来，并在输出设备（如显像管）上显示出脉冲数—脉冲高度曲线，纵坐标是脉冲数，与所分析元素含量有关，横坐标为脉冲高度，与元素种类有关，这样就可以测出X射线光子的能量和强度，从而得出所分析元素的种类和含量，这种谱仪称为能量色散谱仪(EDS)，简称能谱仪。
能谱仪70年代问世以来，发展速度很快，现在分辨率已达到130eV左右，以前Be窗口能谱仪分析元素范围从11Na－92U，现在用新型有机膜，分析元素可从4Be－92U。
元素定性、定量分析软件也有很大改善，中等原子序数的元素定量分析准确度已接近波谱定量结果，近年来能谱仪的图象处理和图象分析功能发展很快。
探测器的性能也有提高，能谱使用时加液氮，不使用时不加液氮。
有的能谱探测器用电制冷方法冷却，使探头维护更方便。
能谱有许多优点，例如，元素分析时能谱是同时测量所有元素，而波谱要一个一个元素测量，所以分析速度远比波谱快。
能谱探头紧靠样品，使X射线收集效率提高，这有利于样品表面光洁度不好及粉体样品的元素定性、定量分析。
另外，能谱分析时所需探针电流小，对电子束照射后易损伤的样品，例如生物样品、快离子导体样品等损伤小。
但能谱也有缺点，如分辨率差，谱峰重叠严重，定量分析结果一般不如波谱等。
表2为能谱和波谱主要性能的比较。
现在大部分扫描电镜、电子探针及透射电镜都配能谱仪，使成分分析更方便。
表2比较内容WDS EDS 元素分析范围4Be－92U 4Be－92U定量分析速度慢快分辨率高（≈5eV）低（130 eV）检测极限10-2 (%) 10-1(%)定量分析准确度高低X射线收集效率低高峰背比（WDS/EDS）10 12.4.3 样品室用于安装、交换和移动样品。
样品可以沿X、Y、Z轴方向移动，有的样品台可以倾斜、旋转。
现在样品台已用光编码定位，精度优于1μm，对表面不平的大样品进行元素面分析时，Z轴方向可以自动聚焦。
样品室安装了各种探测器，例如二次电子探测器、背散射电子探测器、波谱、能谱、及光学显微镜等。
光学显微镜用于观察样品(包括荧光观察)，以确定分析部位。
利用电子束照射后能发出荧光的样品（如Zr02），能观察入射到样品的电子束直径大小。
2.4.4电子计算机联机计算机的主要功能是控制电子探针的样品台、谱仪、电子光学系统以及进行数据运算和数据处理。
较早的电子探针都是手动操作，七十年代末国内开始引进计算机控制的电子探针。
当时计算机功能少，容量小，计算速度慢，而且都是专用机。
如日本电子公司的JCXA-733电子探针是用PDP11/04机，内存只有16K，程序用穿孔纸带，后来改为LSI11/23计算机。
八十年代中期计算机功能加强，内存也扩大，如日本岛津公司的EPMA-8705QH 电子探针是用NEC公司的PC-98XL model 4计算机，内存1MB，20MB硬盘。
现在用的计算机都是PC兼容机，分析数据和图像可以在一般PC机上处理和储存。
随着计算机与自动化技术的发展，不但对分析结果计算速度快，控制功能也扩大，几乎所有的仪器动作和数据采集都由计算机完成。
电子探针操作面板上的开关和旋钮都由计算机的鼠标取代。
电子探针现在有比较成熟的标准分析和修正计算程序，如分析金属和氧化物的ZAF等定量修正程序，用于氧化物和硅酸盐材料分析的Bence-Albee定量修正程序，元素定性分析程序，状态分析程序，面分析程序，线分析程序及电子扩散范围显示程序等。
另外，计算机还存储了分析过程所用的各种参数和数据。
图像分析和图象处理功能完全由计算机完成。
图像处理技术是七十年代发展起来的一门新兴的技术，随着计算机的容量加大和速度的加快，这门技术得到了迅速地发展，现在已经用到了许多领域。
最早是应用于航天的遥感、遥测图像来识别军事目标，应用到电子探针和扫描电镜领域相对比较晚，但已经得到了广泛应用并取得很好的结果。
以前电子探针是将电子激发样品所产生的二次电子像、背射电子像以及X射线像等信号，通过放大处理后在显像管(CRT)上转换成光信号， 再用照相法把图像记录在底片上。
这种方法简便、直观而且快速，但也有许多缺点，如在成像过程中失焦等缺陷无法校正，不能用彩色显示，也无法进行量的计算等。
为了改善图像质量并获得有关定量信息，电子探针引入了图像处理系统。
这个系统是把被测的图像分成许多像素(如512×512个)，将每一个像素的信号变成一个数字量有序地存储在计算机的存储器中，然后通过一定的数字模型对像素中的量进行数学或逻辑处理，重新构成一幅重构像或求出某一些像素集合的物理量输出显示。